CN113862558B - 一种屈服强度700MPa级低成本高韧性高强调质钢及其制造方法 - Google Patents

一种屈服强度700MPa级低成本高韧性高强调质钢及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于屈服强度700MPa级调质钢制造领域，具体涉及一种屈服强度700MPa级低成本高韧性高强调质钢及其制造方法。本发明调质钢的化学成分重量百分比为：C：0.15％～0.17％；Si：0.1％～0.3％；Mn：1.3％～1.5％；P≤0.015％；S≤0.002％；Cr：0.1％～0.45％；Nb：0.010％～0.025％；Ti：0.01％～0.03％；Al：0.025％～0.045％；B：0.0009％～0.0015％；其余为Fe和不可避免杂质。按照上述合金成分经冶炼、浇铸、铸坯加热、轧制及冷却、淬火和回火处理制得本发明调质钢。本发明调质钢采用Si‑Mn‑Cr‑Nb‑Al合金成分设计，在保证力学性能的前提下，减少贵金属元素的使用量，极大降低原料成本，并满足‑40℃下冲击韧性要求。由本发明合金成分及工艺制得的调质钢具有钢板屈服强度≥700MPa，抗拉强度为750～940MPa，断后伸长率≥14％，‑40℃纵横向冲击功≥100J等性能。

Description

一种屈服强度700MPa级低成本高韧性高强调质钢及其制造 方法
技术领域
本发明属于屈服强度700MPa级调质钢制造领域，具体涉及一种屈服强度700MPa级低成本高韧性高强调质钢及其制造方法。
背景技术
目前700MPa级高强调质用钢主要用于煤矿机械、工程机械等行业，其使用环境和受力条件苛刻，对钢材的性能具有较高的要求，在满足钢板拉伸性能的前提下，需满足-40～0℃低温情况下冲击韧性≥100J，目前700MPa级调质钢板为保证强度及冲击韧性，通常添加Cu、Ni、Mo、V、Cr、Ti、B等合金元素进行生产。
例如公开号为CN101643888A的专利，公开了“一种抗拉强度700MPa级低焊接裂纹敏感性钢及其生产方法”，其公开的钢的化学成分重量百分比为C：0.08～0.12、Si：0.15～0.40、Mn：1.00～2.00、P≤0.015、S≤0.006、Ni：0.25～0.55、Mo：0.15～0.28、V：0.02～0.10以及Cu：0.18～0.30、Cr：0.15～0.30、Ti：0.008～0.020、B：0.0007～0.0027中的两种或两种以上，其余为Fe及不可避免的夹杂。该专利成分设计通过增加了Ni、Cu、Mo、V等贵金属，仅可满足钢板抗拉强度Rm≥690MPa，-20℃冲击功≥47J，且合金成本较高。
又例如公开号CN104532159A的专利，公开了“一种屈服强度700MPa级调质高强钢及其生产方法”，其公开的钢的化学成分重量百分比为：C:0.06～0.13％，Si：0.10～0.30％，Mn：0.80～1.60％，Cr：0.20～0.70％，Mo：0.10～0.30％，Ni：0～0.30％，Nb：0.010～0.030％，Ti:0.010～0.030％，V:0.010～0.030％，B:0.0005～0.0030％，Al:0.02～0.06％，Ca：0.001～0.004％，N:0.002～0.005％，P≤0.020％，S≤0.010％，O≤0.008％，其余为Fe及不可避免的杂质。该专利成分设计通过增加Mo、Ni、Nb、Ti、V、B等贵金属，可满足钢板的屈服强度700～850MPa，抗拉强度750～900MPa，延伸率>14％，-40℃冲击功>40J。但合金成本也相对较高，且冲击韧性不能满足部分用户高标准要求。
发明内容
针对背景技术中提出的问题，本发明旨在提供一种屈服强度700MPa级低成本高韧性高强调质钢及其制造方法，在增强调质钢韧性的同时，极大降低了原料成本。
基于上述目的，本发明采用的技术方案如下：
第一方面，本发明提供一种屈服强度700MPa级低成本高韧性高强调质钢，其化学成分重量百分比为：C：0.15％～0.17％；Si：0.1％～0.3％；Mn：1.3％～1.5％；P≤0.015％；S≤0.002％；Cr：0.1％～0.45％；Nb：0.010％～0.025％；Ti：0.01％～0.03％；Al：0.025％～0.045％；B：0.0009％～0.0015％；其余为Fe和不可避免杂质。
相对于现有合金成分设计，本发明调质钢采用Si-Mn-Cr-Nb-Al合金成分设计，在保证了力学性能的前提下，减少了贵金属元素的使用量，极大降低了原料成本；并且，由本发明合金成分制成的钢板具有更优韧性。具体分析如下：
本发明调质钢的设计成分中各个元素的作用如下：
C可扩大奥氏体区，淬火形成的过饱和铁素体组织中的碳可增加其强度，并可提高钢板淬透性，但C元素不可太高，过高对钢板冲击韧性有明显影响，过低抗拉强度无法满足。因此，本发明C含量控制在0.15％～0.17％。
Si具有固溶强化的作用，同时Si减少C在奥氏体中的溶解度，促使C脱溶，以碳化物的形式析出。适量的Si能加速焊接冶金过程的还原作用，还能提高焊缝金属的抗气孔能力。过量的Si会使焊缝金属的塑韧性降低。本发明采用低硅的设计原则，因此，本发明Si含量控制在0.1％～0.3％，优选地，硅的含量为0.20％。
Mn加入钢中能固溶于铁素体中，起到强化铁素体的作用。在低碳条件下，Mn含量在1.8％以下时，在提高钢的强度的同时，仍可使钢保持较高的塑性和韧性。Mn有良好的脱氧能力，可以起到脱氧的作用，消除钢中的FeO。此外，Mn能够与钢中S反应形成MnS，以消除硫的有害作用。Mn在钢中的含量达到1.0％～1.5％时，可在一定程度上改善钢的冲击韧性，同时可以减弱V、Ti等元素与碳的结合力，促进含V、Ti的碳化物溶入奥氏体中，起到增加淬透性的作用。为保证钢板的强度且不损害钢板的低温韧性，因此，本发明将Mn含量控制为1.3％～1.5％。
Cr是碳化物形成元素，钢在奥氏体状态下，Cr几乎可以全部熔入奥氏体，可以显著提高钢的淬透性，进而提高钢板强度，并且Cr含量在0.10％以上时，能有效改善钢的耐腐蚀性能；但太高的铬和锰同时加入钢中，会导致低熔点Cr-Mn复合氧化物形成，在热加工过程中形成表面裂纹，同时会严重恶化焊接性能，因此本发明Cr的添加量控制在0.1％～0.45％。
B元素添加于钢中会提高钢板的淬透性，形成贝氏体或马氏体组织。B含量较高时，B原子会在晶界富集，降低晶界结合能，从而在受到冲击作用时会发生沿晶解离断裂。因此，本发明中B元素的加入量为0.0009％～0.0015％。
Nb是一种强烈的碳氮化物形成元素。在钢中它可形成细小的碳化物和氮化物，抑制奥氏体晶粒的长大，在轧制过程中可提高再结晶温度，抑制奥氏体的再结晶，保持形变效果从而细化铁素体晶粒。Nb可在铁素体中沉淀析出，提高钢的强度以及在焊接过程中阻止热影响晶粒的粗化。太低的Nb含量弥散析出效果不明显，起不到细化晶粒、强化基体作用；太高的Nb含量，由于抑制了钢板芯部再结晶的发生，不利于晶粒细化，因此在本设计添加适量的Nb，其含量控制为0.010％～0.025％。
Ti是一种强烈的碳化物和氮化物形成元素，由于Ti能起细化晶粒的作用，故也能提高钢的韧性。适量的Ti形成的第二相质点能阻止焊接过程中粗晶区的长大，提高焊缝金属的韧性，但过量的Ti又会使之降低。因此，本发明添加0.01％～0.03％的Ti，以提高钢的韧性，改善焊缝的韧性。
Al元素为优良的脱氧剂；Al与N相结合，消除固溶N对钢板冲击韧性、时效脆化特性不利影响；Al与N结合形成AlN粒子，细化钢板晶粒尺寸，提高钢板屈服强度、改善钢板冲击韧性；当Al含量≤0.010％时无细晶效果，Al含量＞0.015％开始具有细晶效果，当Al含量≥0.020％时，本质细晶粒钢；过多Al添加时(＞0.070％)，钢中Al2O3夹杂物含量激增，钢板内质恶化的同时，连铸坯角横裂缺陷增加。故本发明Al元素含量控制为0.025％～0.045％。
第二方面，本发明提供一种屈服强度700MPa级低成本高韧性高强调质钢的制造方法，包括如下步骤：
S1：冶炼、浇铸
按照上述调质钢的成分组成进行冶炼，转炉出钢后，于LF+RH真空处理系统中进行炉外精炼，再浇铸成铸坯；
S2：铸坯加热
将铸坯于1110℃～1170℃的炉中加热，在炉时间控制在220～280min；
S3：轧制及冷却
铸坯在奥氏体完全再结晶区完成粗轧过程，待粗轧后的铸坯降温至奥氏体末再结晶区后进行精轧；粗轧机要求出钢后立即进行粗轧机粗轧不可待温，直至轧到控轧厚度，随后利用精轧机进行轧制；控轧厚度2-3T，精轧开轧温度为850℃～980℃，精轧终轧温度为790℃～850℃；空冷至室温；
S4：热处理
淬火热处理：淬火加热温度为890℃～920℃，保温为15～40min，淬火冷速为8℃～12℃/s；回火温度为570℃～610℃，保温时间为20～40min。
第三方面，由上述化学成分及步骤S1～S4制造方法获得的调质高强钢的屈服强度≥700MPa，抗拉强度为750～940MPa，断后伸长率≥14％，-40℃纵横向冲击功≥100J。
本发明通过对轧制阶段控制轧制，再经热处理后钢板的冲击韧性明显提高，经本发明工艺制得的钢板在-40℃的纵向横向冲击功≥100J。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明调质钢采用Si-Mn-Cr-Nb-Al合金成分设计，在保证了力学性能的前提下，减少了贵金属元素的使用量，极大降低了原料成本；并且，由本发明合金成分制成的钢板具有更优韧性，调质钢的屈服强度≥770MPa，抗拉强度为750～940MPa，断后伸长率≥14％，-40℃纵横向冲击功≥100J。
本发明通过对轧制工艺过程进行控制，显著提高了由本发明工艺制得的钢板的冲击韧性。
附图说明
图1为本发明实施例1的金相照片。
具体实施方式
本发明一种屈服强度700MPa级低成本高韧性高强调质钢，其化学成分重量百分比为：C：0.15％～0.17％；Si：0.1％～0.3％；Mn：1.3％～1.5％；P≤0.015％；S≤0.002％；Cr：0.1％～0.45％；Nb：0.010％～0.025％；Ti：0.01％～0.03％；Al：0.025％～0.045％；B：0.0009％～0.0015％；其余为Fe和不可避免杂质。
上述屈服强度700MPa级低成本高韧性高强调质钢的制造方法，包括如下步骤：
S1：冶炼、浇铸
按照上述成分进行冶炼为一定厚度的板坯，转炉出钢后，于LF+RH真空处理系统中进行炉外精炼，再浇铸成铸坯；
S2：铸坯加热
将铸坯于1110℃～1170℃的炉中加热，在炉时间控制在220～280min；
S3：轧制及冷却
铸坯在奥氏体完全再结晶区完成粗轧过程，待粗轧后的铸坯降温至奥氏体未再结晶区后进行精轧；粗轧机要求出钢后立即进行粗轧机轧制不可待温，直至轧到控轧厚度，精轧机根据相应的温度指令要求进行轧制。控轧厚度2-3T，精轧开轧温度为850℃～980℃，精轧终轧温度为790℃～850℃；空冷至室温；
S4：热处理
淬火加热温度为890℃～920℃，保温15～40min，淬火冷速为8℃～12℃/s；回火温度为570℃～610℃，保温20～40min。
钢板化学成分的配比及制造方法中涉及的参数，可以在一定的范围内选择设置，具体如表1～3所示，其中，表1为实施例1～5和对比例1～2调质钢的化学成分配比；表2为实施例1～5和对比例1～2调质钢的具体生产工艺参数；表3为实施例1～5和对比例1～2调质钢的力学性能检测结果；通过具体实施例与对比例的化学成分以及具体制造参数对本发明作进一步说明。其中，实施例1的金相照片如图1所示。
表1调质钢的化学成分配比(％)
Figure BDA0003244739630000051
表2加热轧制及热处理工艺
Figure BDA0003244739630000061
表3力学性能检测结果
Figure BDA0003244739630000062
由上述表1、表2、表3所列出的实施例和对比例可以看出，本发明一种屈服强度700MPa级低成本高韧性高强调质钢通过上述成分和工艺设计，可生产屈服强度≥700MPa，抗拉强度为750～940MPa，断后伸长率≥14％，-40℃纵横向冲击功≥100J的钢板，满足用户低成本及-40℃下低温韧性要求，具有较高的推广应用价值。

Claims (2)

1.一种屈服强度700MPa级低成本高韧性高强调质钢，其特征在于，其化学成分重量百分比为：C：0.17%；Si：0.25%～0.3%；Mn：1.3%～1.5%；P≤0.015%；S≤0.002%；Cr：0.38%～0.45%；Nb：0.020%～0.025%；Ti：0.01%～0.03%；Al：0.025%～0.045%；B：0.0009%～0.0015%；其余为Fe和不可避免杂质；
所述屈服强度700MPa级低成本高韧性高强调质钢由如下方法制得，所述方法包括如下步骤：
S1：冶炼、浇铸
按照所述成分进行冶炼，转炉出钢后，于LF+RH真空处理系统中进行炉外精炼，再浇铸成铸坯；
S2：铸坯加热
将铸坯于1110℃～1170℃的炉中加热，在炉时间控制在220～280min；
S3：轧制及冷却
铸坯在奥氏体完全再结晶区完成粗轧过程，待粗轧后的铸坯降温至奥氏体未再结晶区后进行精轧；粗轧机要求出钢后立即进行粗轧机轧制不可待温，直至轧到控轧厚度，随后利用精轧机进行轧制；控轧厚度2-3T，精轧开轧温度为850℃～980℃，精轧终轧温度为790℃～850℃；空冷至室温；
S4：热处理
热处理：淬火加热温度为890℃～920℃，保温15～40min，淬火冷速为8℃～12℃/s；回火温度为570℃～610℃，保温20～40min。
2.如权利要求1所述高强调质钢，其特征在于，所述高强调质钢的屈服强度≥700MPa，抗拉强度为750～940MPa，断后伸长率≥14%，-40℃纵横向冲击功≥100J。
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